[0001] La présente invention concerne un piston composite, notamment pour moteurs à combustion
interne, dont la jupe porte un revêtement à résistance mécanique élevée, à faible
coefficient de frottement, constitué d'une résine synthétique armée de fibres à haut
module d'élasticité.
[0002] Le but de l'invention est essentiellement de réduire les frottements entre la jupe
du piston et le cylindre.
[0003] On sait que le rôle de la jupe est d'assurer le guidage dans le cylindre de la partie
qui assure l'étanchéité, à savoir de la partie dite "porte-segments". La jupe a donc
une surface relativement importante, et est la source de frottements, de bruit, et
donc de perte d'énergie. Pour éviter le risque de grippage du fait de la jupe, le
jeu entre elle et le piston doit être assez important de l'ordre de plusieurs dizaines
de microns, ce qui entraîne une augmentation de la consommation d'huile.
[0004] On comprend donc que le but de la présente invention, en réduisant les frottements,
est d'éliminer ces inconvénients de la technique antérieure, et ceci quel que soit
le métal constituant le corps du piston : acier ou alliage léger.
[0005] Pour ce faire, un piston conforme à la présente invention est essentiellement caractérisé
en ce que la résine est de la famille des polymères sulfoniques, les fibres à haut
module d'élasticité étant de préférence des fibres de carbone, verre ou autre.
[0006] Les polymères sulfoniques sont tout spécialement appropriés à l'application envisagée.
Ils comprennent plus particulièrement, comme matériaux susceptibles d'être utilisés
dans le revêtement en question, le polysulfone (PS), le polyéthersulfone (PES) et
le polyphénylsulfone (PPS). Leurs principales caractéristiques sont les suivantes
:
POLYMERES SULFONIQUES |
PROPRIETES |
POLYSULFONE |
POLYETHERSULFONE |
POLYPHENYLSULFONE |
Masse volumique g/cm³ |
1,24 |
1,37 |
1,29 |
Module de traction (MPa) |
2 480 |
2 400 |
2 300 |
Module de flexion (MPa) |
2 700 |
2 600 |
2 400 |
Contrainte en flexion (MPa) |
106 |
129 |
85 |
Température de résistance en continu (°C) |
150 |
175 |
190 |
[0007] De préférence, la résine comportera une charge de graphite, matériau bien connu pour
ses qualités de lubrifiant. La résine pourra également contenir du polytétrafluoréthylène
(PTFE) ou, préférentiellement, un polymère fluoré du type copolymère éthylène-polytétrafluoréthylène
(ETFE).
[0008] Le copolymère éthylène-PTFE, appelé ETFE, est très facile à mettre en oeuvre et sera
en général préférable au PTFE, auquel il est supérieur pour l'ensemble de ses propriétés,
exception faite de sa résistance à la température.
[0009] Le tableau de comparaison entre le PTFE et l'ETFE est le suivant :
PROPRIETES |
PTFE |
ETFE |
- Densité |
2,14 à 2,18 |
1,7 |
- Contrainte de rupture (MPa) |
20 à 40 |
45 |
- Résistance à la flexion(MPa) |
18 à 20 |
24 |
- Module de traction (MPa) |
350 à 750 |
825 |
- Dureté shore D |
55 à 59 |
75 |
- Température de résistance en continu (°C) |
200 à 250 |
160 |
[0010] Un piston conforme à l'invention pourra encore être caractérisé en ce que ladite
résine comporte une charge à hautes propriétés mécaniques telle que des microbilles
creuses de verre ; il pourra contenir environ 10 à 15 % en poids de microbilles creuses
de verre.
[0011] Les microbilles creuses de verre sont constituées de minuscules bulles transparentes
à paroi de verre extrêmement fine (1 à 3µ ) du type borosilicate, emplies d'un gaz
inodore et non toxique.
Caractéristiques physiques : |
Densité apparente (g/cm³) |
0,16 - 0,20 |
Granulométrie (µ) |
5 - 200 |
Diamètre moyen (µ) |
80 |
Température de ramollissement (°C) |
750 |
Résistance à l'écrasement (bar) |
140 |
Conductivité thermique (W/m°/c) |
0,055 |
[0012] L'utilisation des microbilles creuses de verre dans les revêtements du type concerné
leur confère d'excellentes propriétés physiques, à savoir une réduction sensible de
leur densité, une amélioration de leur conductibilité thermique, de leur résistance
aux chocs (micro-absorbeurs d'énergie), une réduction du retrait et de la fissuration
lors du durcissement (équirépartition des températures et des contraintes résiduelles)
et une diminution très sensible du prix volumique des revêtements fabriqués.
[0013] Parmi les compositions particulièrement intéressantes, on pourra retenir celle dans
laquelle le revêtement comprend environ 60 à 80 % en poids de polymère sulfonique,
environ 10 % en poids de fibres de carbone, environ 10 % en poids de graphite, et
environ 10 % en poids de ETFE.
[0014] Avec les différents matériaux qui viennent d'être définis, on a constaté un gain
de l'ordre de 45 % sur les pertes par frottements, d'où un gain conséquent en énergie,
et une diminution des bruits et des risques de grippage. Le jeu entre la jupe du piston
et le cylindre peut être réduit à quelques microns au lieu de plusieurs dizaines,
d'où, en outre, une diminution notable de la consommation d'huile.
[0015] Deux modes d'exécution de l'invention vont maintenant être décrits, à titre d'exemples
nullement limitatifs, avec référence aux figures du dessin annexé dans lequel :
- la figure 1 représente un piston conforme à l'invention, en coupe axiale selon le plan qui contient
l'axe de l'articulation au pied de bielle, à savoir selon la ligne I-I de la figure
2 ;
- la figure 2 est une vue en élévation du piston;
- la figure 3 est une vue en coupe horizontale selon la ligne III-III de la figure 1 ;
- la figure 4 est une vue en coupe axiale selon la ligne IV-IV de la figure 1 ;
- la figure 5 est un détail de la figure 4 ;
- les figures 6 et 7 sont les deux vues en élévation d'une variante de piston conforme à l'invention
;
- la figure 8 est une vue en coupe horizontale selon la ligne VIII-VIII de la figure 6 ; et
- la figure 9 est une vue en coupe axiale selon la ligne IX-IX de la figure 6.
[0016] Sur l'ensemble des figures, la référence 1 désigne le fond du piston, 2 le porte-segments,
et 3 la jupe. La référence 4 désigne les paliers de l'axe d'articulation au pied de
bielle.
[0017] Sur les figures 1 à 5, on a représenté un revêtement constitué d'un seul élément
en forme de bague cylindrique 5 fixée sur ladite jupe 3.
[0018] Ce revêtement possède l'une des compositions indiquées plus haut.
[0019] Il est fixé sur la jupe 3 par tous moyens appropriés, pouvant comprendre le vissage
(figure 5), le frettage et le collage, moyens utilisés seuls ou dans leurs différentes
combinaisons.
[0020] Dans la variante des figures 6 à 9, ledit revêtement est constitué de deux éléments
en forme de portions de cylindre 6, diamétralement opposés sur ladite jupe 3, étant
centrés sur l'axe X-X perpendiculaire à l'axe d'articulation Y-Y du pied de bielle.
[0021] Les moyens de fixation desdits éléments 6 sur la jupe 3 comprennent le collage et
la fixation mécanique par picots, queue-d'aronde ou rivetage, moyens utilisés seuls
ou dans leurs différentes combinaisons.
[0022] Lorsque l'on utilise de la colle, il est avantageux d'utiliser une colle du type
adhésif polyamide, époxyde ou analogue.
[0023] Sera particulièrement approprié un adhésif polyamide imide à base de N-méthyl 2-pyrrolidone.
[0024] Il est à noter que le profil définitif du revêtement 5 ou 6 lui sera généralement
conféré par usinage, en même temps que celui des parties métalliques du piston, après
montage sur la jupe 3.
[0025] Cependant, il peut être envisagé de prendre des précautions de moulage du revêtement
telles qu'un usinage ultérieur de celui-ci ne soit pas nécessaire.
[0026] En tout cas, et ceci constitue un avantage supplémentaire de l'invention, le profil
du revêtement pourra, grâce à ses qualités de glissement considérablement améliorées,
être grandement simplifié, par rapport aux profils actuels compliqués des jupes métalliques
classiques.
[0027] Enfin, il est également envisageable d'élaborer le revêtement par pulvérisation sur
la jupe, ce qui simplifierait la fabrication.
1. Piston composite, notamment pour moteurs à combustion interne, dont la jupe (3)
porte un revêtement (5, 6) à résistance mécanique élevée, à faible coefficient de
frottement, constitué d'une résine synthétique armée de fibres à haut module d'élasticité,
caractérisé en ce que la résine est de la famille des polymères sulfoniques.
2. Piston selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite résine est un polysulfone.
3. Piston selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite résine est un polyphénylsulfone.
4. Piston selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite résine est un polyéthersulfone
(PES).
5. Piston selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce
que ladite résine contient un polymère fluoré du type copolymère éthylène-polytétrafluoréthylène
(ETFE).
6. Piston selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que
ladite résine contient du polytétrafluoréthylène (PTFE).
7. Piston selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce
que lesdites fibres à haut module d'élasticité sont des fibres de carbone.
8. Piston selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que lesdites
fibres à haut module d'élasticité sont des fibres de verre.
9. Piston selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce
que ladite résine comporte une charge de graphite.
10. Piston selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce
que ladite résine comporte une charge à hautes propriétés mécaniques telle que des
microbilles creuses de verre.
11. Piston selon la revendication 10, caractérisé en ce que ledit revêtement comprend
environ 10 à 15 % en poids de microbilles creuses de verre.
12. Piston selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en
ce que ledit revêtement comprend environ 60 à 80 % en poids de polymère sulfonique,
environ 10 % en poids de fibres de carbone, environ 10 % en poids de graphite, et
environ 10 % en poids de ETFE.
13. Piston selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en
ce que ledit revêtement est une pièce rapportée, constituée d'un (5) ou plusieurs
(6) éléments.
14. Piston selon la revendication 13, caractérisé en ce que ledit revêtement est constitué
d'un seul élément en forme de bague cylindrique (5) fixée sur ladite jupe (3).
15. Piston selon la revendication 13, caractérisé en ce que ledit revêtement est constitué
de deux éléments en forme de portions de cylindre (6), diamétralement opposés sur
ladite jupe (3), étant centrés sur l'axe (X-X) perpendiculaire à l'axe d'articulation
(Y-Y) du pied de bielle.
16. Piston selon la revendication 14, caractérisé en ce que les moyens de fixation
dudit revêtement en forme de bague cylindrique (5) sur la jupe (3) comprennent le
vissage, le frettage et le collage, moyens utilisés seuls ou dans leurs différentes
combinaisons.
17. Piston selon la revendication 15, caractérisé en ce que les moyens de fixation
desdits éléments (6) sur la jupe (3) comprennent le collage et la fixation mécanique
par picots, queue-d'aronde ou rivetage, moyens utilisés seuls ou dans leurs différentes
combinaisons.
18. Piston selon la revendication 16 ou 17, mettant en oeuvre le collage, caractérisé
en ce que la colle est du type adhésif polyamide, époxyde ou analogue.
19. Piston selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que
ledit revêtement est élaboré par pulvérisation sur ladite jupe (3).